کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه (MXenes)، خانواده ای از ترکیبات معدنی دوبعدی (D2)، هستند که از چند لایه اتمی از کاربیدها، نیتریدها یا کربنیتریدهای فلزات واسطه تشکیل شده اند. اولین MXene معرفی شده Ti3C2 است که در سال 2011 معرفی شد. که از فاز MAX ، Ti3AlC2 مشتق شده است (شکل 1).
MXene ها برای کاربرد در باتری ، ابرخازن ، فوتوکاتالیست ، محافظ تداخل الکترومغناطیسی، سنسوره و جذب نویدبخش هستند. مطالعات تجربی و نظری گسترده پتانسیل زیاد مکسین ها را در حوزه های مختلف به خصوص تبدیل و ذخیره سازی انرژی نشان داده است.
کاربرد مکسین در باتری های لیتیوم- یون
باتری های لیتیوم یون (LIB) به طور گسترده ای در سیستم های ذخیره انرژی به کار گرفته شده است. مشخصات ایده آل یک باتری به مواد سازنده الکترودی آن وابستگی زیادی دارد . گرافیت به طور گسترده ای به عنوان آند باتری های لیتیوم به کار رفته است اما مشکل گرافیت Rate capability پایین است.
مکسین ها به دلیل ساختار دو بعدی و هدایت بسیار بالا Rate capability بسیار خوبی دارند و تحقیقات نشان داده است که می توانند جایگزین مناسبی برای گرافیت باشند.
کاربرد مکسین در باتری های غیر لیتیومی
کاربرد گسترده LIB ها به دلیل محدودیت های لیتیوم به عنوان یک منبع طبیعی، مشکلات زیادی دارد. از این رو، دیگر باتری های غیر لیتیوم یون قابل شارژ (NLIB) مانند باتری های Na-، K-، Mg-، Ca- و Al-ion توجه فزاینده ای را به خود جلب کرده اند.
در مقایسه با باتری های لیتیوم این باتری ها مواد فعال فراوان تری در طبیعت دارند، و همچنین ظرفیت موثر را در نتیجه فرآیند چند الکترونی خود افزایش می دهند . از آنجایی که فعل و انفعالات بین این یون های فلزی و اتم های C ضعیف است، گرافیت را نمی توان به عنوان ماده آند در NLIB ها استفاده کرد. در نتیجه، شناسایی مواد مناسب یک چالش حیاتی در تحقیقات NLIB است.
جالب توجه است که این یون‌های فلزی می توانند در لایه های مکسین intercalate کرده ، و امکان استفاده از MXene را به عنوان مواد آند برای NLIBها فراهم کند. نتایج تحقیقات محاسباتی و تجربی به وضوح امکان استفاده از MXenes را به عنوان مواد آند برای NLIB ها نشان می دهد.
ابرخازن ها
ابرخازن ها دسته دیگری از سیستم های ذخیره انرژی هستند اما از چگالی انرژی کمتر اما سرعت شارژ و دشارژ بیشتر در مقایسه با باتری ها برخوردارند بنابراین، تحقیقات عمدتاً بر بهبود چگالی انرژی آنها در واحد حجم، یعنی ظرفیت‌های حجمی متمرکز شده‌اند.
با توجه به مکانیسم های ذخیره بار، ابرخازن ها را می توان به عنوان خازن های الکتریکی دو لایه (EDLC) یا شبه خازن طبقه بندی کرد. اولی بر اساس تجمع برگشت پذیر یون ها در رابط های الکترود-الکترولیت است، در حالی که دومی بر واکنش های ردوکس سطح سریع و برگشت پذیر تکیه دارد. به طور کلی، شبه خازن ها دارای ظرفیت های حجمی بالاتری هستند، اما فاقد ثبات چرخه ای هستند.
به دلیل ماهیت دو بعدی و سطح بزرگ MXeneها به عنوان مواد الکترودی امیدوارکننده برای ابرخازن‌ها به کار گرفته شده‌اند. گزارش شده است که یک الکترود Ti3C2Tx دارای ظرفیت حجمی فوق‌العاده بالایی تا F/cm3 350 در mV/s 20 و F/cm3 450 در mV/s 2 در محلول KOH است، بدون اینکه تقریباً پس از 10000 چرخه با کاهش ظرفیت مواجه شود. این مقادیر تقریباً از تمام EDLC های مبتنی بر کربن فراتر است.
الکتروکاتالیست
مکسین ها به دلیل ساختار دو بعدی، آبدوستی و هدایت بالا می توانند بستر بسیار مناسبی برای مواد فعال الکتروکاتالیستی باشند. مواد فعال الکتروکاتالیستی مانند اکسید فلزات، چهارچوب های آلی-فلزی (MOF) و .. معمولا هدایت پایینی دارند و ترکیب آن ها با مکسین می تواند باعث بهبود چشمگیر در فعالیت الکتروکاتالیستی شود.
آبدوستی بالای مکسین این امکان را می دهد تا به طور مثال یون های OH- به طور کامل سطح کاتالیست را پوشش دهد و عملکرد کاتالیست را بهبود ببخشد. با ترکیب مکسین ها و مواد فعال کاتالیستی می توان انتظار داشت که فعالیت کاتالیست به طور چشمگیری افزایش یابد.
